KR960003212B1

KR960003212B1 - Device and method of monitoring vibration in n.c. machine system

Info

Publication number: KR960003212B1
Application number: KR1019930015117A
Authority: KR
Inventors: 이장무; 주종남; 김기대; 권원태; 민병성
Original assignee: 이장무; 김기대; 민병성
Priority date: 1993-08-04
Filing date: 1993-08-04
Publication date: 1996-03-07
Also published as: KR950005450A

Abstract

The method is for monitoring the chattering vibration of the NC machining system in order to prevent an abnormal states from occurring. The method includes a step of measuring variations of acceleration and machining force values; and a step of determinning the occurrence of the chattering vibration if two non-dimensional values, calculated from 14 non-dimensional variables of the acceleration and the machining force, simultaneously gets over a threshold.

Description

Vibration Monitoring Method and Apparatus for Numerical Control Cutting System Diagnosis

제1도는 본 발명의 구성도.1 is a block diagram of the present invention.

제2도는 절삭력 변화도.2 is a cutting force gradient.

제3도는 가속도 변화도.3 is the acceleration gradient.

제4도는 진동판정 기준치4 is the vibration judgment reference value

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 가속도계 2 : 공구동력계1: accelerometer 2: tool dynamometer

3 : 앰프 4 : 프리앰프3: amplifier 4: preamp

7 : NC 컨트롤러용 PC7: PC for NC controller

본 발명은 NC(Numerical control) 절삭시스템 이상진단을 위한 절삭중 진동의 모니터링 방법에 관한 것으로, NC 머시인의 무인화운전에 있어서 가공중의 진동은 프로그램에 의한 연속적인 가공공정이 불가능 할뿐더러 공작물 표면을 거칠게 만드므로 진동의 감시가 선행되어야 하기때문에 본 발명은 공구파손 감시를 실시간(Real time)으로 수행하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method of monitoring vibration during cutting for abnormal diagnosis of NC (Numerical Control) cutting system. The present invention relates to a technique for performing tool breakdown monitoring in real time, since the vibration monitoring must be preceded by making the rough.

종래 기술에 있어서는 절삭중 일어나는 진동을 악셀러로미터나 프락시메터(proximeter)를 이용 그 가속도나 위치(displacement)의 크기를 측정하고 기준치(Threshold)를 설정 실제 그 가공시 진동측정치가 그 이상이면 채터(chatter)로 판정하였다.In the prior art, the vibration generated during cutting is measured using an accelerometer or a proximeter to measure the magnitude of the acceleration or displacement and to set a threshold. It determined with (chatter).

하지만 이 방법은 절삭조건에 따라 기준치가 달라져야 하기때문에 경우마다 기준치를 다시 설정해야 하는 약점이 있다. 이 약점을 극복하기 위해 본 발명에서는 절삭력과 가속도를 동시에 이용하고 기존의 방법인 일본공개특허 평 4-35466호 미국특허 제4899594, 4942387호의 기술과는 달리 이들로부터 추출된 신호의 특성을 무차원 변수로 설정된 14개의 진동 감지계수로 변환시켜 진동모니터링에 사용한 방법을 창출한 것으로 그 요지를 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과같다.However, this method has a disadvantage in that the reference value must be reset every time since the reference value must be changed according to the cutting conditions. In order to overcome this weakness, in the present invention, the cutting force and the acceleration are used at the same time, and the characteristics of the signals extracted from them are different from the conventional methods described in Japanese Patent Application Laid-open No. Hei 4-35466 and US Pat. Converted into 14 vibration detection coefficients set to create a method used for vibration monitoring. The summary will be described in detail with reference to the attached drawings.

NC 선반의 절삭가공시 공작물의 과도한 진동을 감지하기 위하여 절삭력과 가속도의 변화를 동시에 측정 및 분석하여 판단하되 진동의 판단기준은 절삭력과 진동가속도를 측정한 이후 그 값으로부터 특정형태의 무차원수들을 구해내어 그것이 절삭조건에 무관하게 설정된 기준치(Threshold) 보다 크면 절삭시스템에 채터등의 이상이 발생된 것으로 판정한 후 그 판정 명령이 NC 컨트롤러에 전달됨을 특징으로 하는 NC 절삭시스템 이상진단을 위한 모니터링 방법에 관한 것이며, 상기 기술중 하드웨어는 가속도계(1)를 공구홀더에 설치하여 이를 프리앰프(4)에 연결, 이를 공구동력계(2)와 앰프(3)가 연결된 NC 컨트롤러용 PC(7)에 연결 설치한 장치이다.In order to detect excessive vibration of workpiece during cutting of NC lathe, it is determined by measuring and analyzing the change of cutting force and acceleration at the same time.However, the criterion of vibration is to measure the cutting force and acceleration and then obtain specific dimensionless numbers from the value. If it is larger than the threshold set regardless of cutting conditions, it is determined that an abnormality such as chatter occurs in the cutting system, and the judgment command is transmitted to the NC controller. The hardware of the above technique is to install the accelerometer (1) in the tool holder and connect it to the preamplifier (4), which is connected to the NC controller PC (7) connected to the tool dynamometer (2) and the amplifier (3) One device.

이와 같이된 본 발명은 NC 선반의 진동감지 시스템은 제1도에 나타나 있으며 감지에 적용되는 신호는 절삭력과 가속도계에 의하여 전기신호로 얻어지며 공구동력계에서 얻어지는 힘은 추력이나 토오크 중의 하나이다.In the present invention as described above, the vibration sensing system of the NC lathe is shown in FIG. 1 and the signal applied to the sensing is obtained as an electrical signal by the cutting force and the accelerometer, and the force obtained by the tool dynamometer is either thrust or torque.

절삭중 진동의 증가는 가속도와 절삭력의 평균값과 진폭의 증가로 나타나는데 그값으로부터 무차원수를 구하는 방법이 다음에 주어져 있다.The increase in vibration during cutting results in an increase in the average value and the amplitude of acceleration and cutting force, and the method of obtaining the dimensionless number from the value is given next.

제2도와 제3도에서 보여진 바와 같이 절삭력은 일정한 절삭력(static force) 위에 계속 변하는 절삭력(dynamic force)으로 나누어져 있어서 항상 양수로 나타나는 반면 가속도는 0점을 중심으로 음과 양 사이를 왕복하게 된다. 절삭조건이 불안정한 영역(unstable region)에 있거나 공구가 마모되었을때 진동이 시작되는데, 이 진동을 감지하기 위하여 가속도와 절삭력을 측정한 후 이 두가지를 시간영역과 주파수영역의 두 영역에서 해석하게 되는데 각각의 영역에서의 무차원 특성변수는 다음과 같다.As shown in Figures 2 and 3, the cutting force is divided into a dynamic force that is constantly changing over a constant static force so that it always appears positive, while the acceleration reciprocates between yin and yang around zero. . Vibration starts when the cutting conditions are in an unstable region or when the tool is worn. To detect this vibration, the acceleration and cutting force are measured and these two are interpreted in two areas, time and frequency. The dimensionless characteristic variables in the domain are as follows.

시간영역Time domain

Rf0[t] = 현재의 절삭력 값/절삭력 평균Rf0 [t] = current cutting force value / cutting force average

Ra0[t] = 현재의 절삭력 값/절삭력 평균Ra0 [t] = current cutting force value / cutting force average

Rf1[t] = 현재의 절삭력 평균값/한 스텝전의 절삭력 평균값Rf1 [t] = current cutting force average value / cutting force average value before one step

Ra1[t] = 현재의 가속도 평균값/한 스텝전의 가속도 평균값Ra1 [t] = current acceleration average value / average acceleration value before one step

Rf2[t] = 현재의 절삭력 진폭값/한 스텝전의 절삭력 진폭값Rf2 [t] = current cutting force amplitude value / cutting force amplitude value one step before

Ra2[t] = 현재의 가속도 진폭값/한 스텝전의 가속도 진폭값Ra2 [t] = current acceleration amplitude value / acceleration amplitude value before one step

주파수 영역Frequency domain

Rpf0[t] = 현재 절삭력 최대피크주파수파워/절삭력 전체파워 평균값Rpf0 [t] = current peak force peak peak frequency power / cut force total power average value

Rpa0[t] = 현재 가속도 최대피크주파수파워/가속도 전체파워 평균값Rpa0 [t] = current acceleration maximum peak frequency power / acceleration total power average value

Rpf1[t] = 현재 절삭력의 파워 평균/한 스텝전의 절삭력 파워 평균Rpf1 [t] = average power of current cutting force / average power of cutting force one step before

Rpa1[t] = 현재 가속도의 파워 평균/한 스텝전의 가속도 파워 평균Rpa1 [t] = current average power average / acceleration power average one step before

Rpf2[t] = 현재 절삭력의 최대피크주파수파워/한 스텝전의 절삭력 최대피크주파수파워Rpf2 [t] = maximum peak frequency power of the current cutting force / maximum peak frequency power of the cutting force one step before

Rpa2[t] = 현재 절삭력의 최대피크주파수파워/한 스텝전의 가속도 최대피크주파수파워Rpa2 [t] = maximum peak frequency power of the current cutting force / acceleration maximum peak frequency power before one step

Rpf3[t] = 현재 절삭력의 최대피크주파수파워/두 스텝전의 절삭력 최대피크주파수파워Rpf3 [t] = maximum peak frequency power of the current cutting force / maximum peak frequency power of the cutting force before two steps

Rpa3[t] = 현재 절삭력의 최대피크주파수파워/두 스텝전의 가속도 최대피크주파수파워Rpa3 [t] = maximum peak frequency power of current cutting force / acceleration maximum peak frequency power before two steps

이와 같이 정의된 무차원 변수를 진동감시에 사용하기 위해 다음과 같이 수정하였다.In order to use the non-dimensional variable defined in this way for vibration monitoring, the following modifications were made.

여기서 Const는 공구와 공작물의 재질의 함수이다.Where Const is a function of the material of the tool and the workpiece.

절삭중 진동이 발생하면 진동의 평균값과 진폭이 커지고 아울러 절삭력의 평균값과 진폭도 증가하여 시간 영역, 주파수 영역에서 정의된 14개의 무차원 특성변수도 증가하게 된다.When the vibration occurs during cutting, the average value and amplitude of the vibration increase, and the average value and amplitude of the cutting force also increase, which increases the 14 dimensionless characteristic variables defined in the time domain and the frequency domain.

주파수 특성변수가 증가하면 무차원 특성변수의 합으로 나타난 AFRT와 AFRF도 증가하게 되어 이 값이 미리 결정된 기준치로 넘게되어 진동으로 판정되게 된다.(제4도)As the frequency characteristic variable increases, the AFRT and AFRF represented by the sum of the dimensionless characteristic variable also increase, and this value is exceeded a predetermined reference value and is judged as vibration (FIG. 4).

공구 동력계와 가속도계에서 얻어진 신호는 시간영역대(time domain)와 주파수영역(frequency domain) 둘다 처리되며 이 신호는 앰프와 필터 그리고 A/D 변환기를 거쳐 PC로 받아들여진 이후 주파수 영역과 시간영역에서 해석된다.Signals from tool dynamometers and accelerometers are processed in both the time and frequency domains, which are interpreted in the frequency and time domains after they are received by the PC through amplifiers, filters, and A / D converters. do.

기준치(threshold)의 설정은 같은 공작기계 같은 재질에서는 항상 일정하므로 미리 선행된 실험에 의해 결정될 수 있고 데이타의 분석과 진동의 판정은 디지탈신호로 PC에서 소프트웨어로 처리한다.Since the setting of the threshold is always constant for the same machine tool and the same material, it can be determined by preliminary experiments. The analysis of the data and the determination of vibration are processed digitally by the PC as a digital signal.

신호의 필터링도 PC의 소프트웨어에서 가능하나 이 구간은 하드웨어에서 수행하여 프로세스의 시간을 단축 실시간 과정(Real time process)를 가능케한다.Signal filtering is also possible in the PC's software, but this interval is performed in hardware to reduce the time of the process, enabling a real time process.

주어진 재질에서 진동의 판정은 제4도에서 주어진 바와 같이 AFRT와 AFRF 두 값이 동시에 Const를 넘길 경우에 결정된다.The determination of vibration in a given material is determined when both values of AFRT and AFRF cross Const at the same time, as given in Figure 4.

진동의 판정은 PC의 소프트웨어로 이루어지며 이 명령은 NC 머시인의 컨트롤러의 입력으로 주어진다.The determination of vibration is made in the software of the PC and this command is given to the input of the controller of the NC machine.

상술한 바와 같이 본 발명은 절삭력과 가속도를 동시에 이용 센서퓨젼(sensor fusion) 방식을 포함하여 신뢰도를 향상시키고 오직 공작기계와 재질만의 함수인 기준치를 만들어 냄으로써, 실시간 진동 모니터링을 실현한 NC 절삭가공의 무인화를 위한 기술이다.As described above, the present invention includes a sensor fusion method using cutting force and acceleration at the same time to improve reliability and create a reference value which is a function of only a machine tool and a material, thereby real-time vibration monitoring NC cutting processing Technology for unmanned technology.

그러므로 본 발명은 공작기계 산업분야에 널리 실용화시킬 수 있는 것이다.Therefore, the present invention can be widely applied to the machine tool industry.

Claims

In order to detect chatter vibration during cutting on the lathe, the measurement is made by simultaneously measuring and analyzing the change in acceleration and cutting force. A vibration monitoring method for diagnosing abnormality of a Numerical Control cutting system, characterized in that it is determined that chatter vibration is generated upon passing and the judgment command is transmitted to the NC controller.

The method of claim 1, wherein a vibration control coefficient FRT, ART, FRF, ARF, AFRT, and AFRF are used to synthesize 14 dimensionless variables for monitoring the vibration and the dimensionless variables. Vibration monitoring method for system fault diagnosis.